APROKSIMASI PERSAMAAN MAXWELL-BOLZTMANN PADA ENERGI ALTERNATIF Heltin Krisnawati, Fitryane Lihawa*, Muhammad Yusuf** Jurusan Fisika, Program Studi S1. Pend. Fisika F.MIPA Universitas Negeri Gorontalo ABSTRAK Persamaan Maxwell-Bolztmann merupakan persamaan statistikal mekanik yang digunakan untuk menentukan energi yang dihasikan oleh biogas dengan temperatur tertentu. Metode penelitian yang digunakan yaitu metode eksperimen dengan melakukan beberapa tahapan dalam pembuatan biogas dan mendapatkan data hasil penelitian kemudian diplot dengan menggunakan aplikasi Origin 8,5. Hasil yang diperoleh dalam penelitian ini dapat menentukan besar energi dan mol gas yang terdapat pada biogas yang berbahan dasar kotoran sapi. dimana semakin tinggi temperatur drum atau digester maka energi semakin besar juga sebaliknya semakin rendah temperatur drum maka energi dan kaor yang dihasilkan akan semakin menurun. Adapun grafik yang didapatkan oleh persamaan Maxwell- Bolztmann yaitu grafik yang menunjukkan hubungan antara temperatur terhadap energi berbanding lurus, sehingga membuat energi bergantung pada temperatur drum atau digester dan mol zat gas yang terkandung dalam biogas. Kata Kunci : Persamaan Maxwell-Bolztmann, Energi Alternatif, Kotoran sapi, Mol Gas. 1. PENDAHULUAN Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hukum-hukum yang mengatur perubahan energi dari suatu bentuk kebentuk lain, aliran dan kemampuan energi melakukan usaha, energi dapat berubah dari satu bentuk kebentuk lain tanpa ada pengurangan maupun penambahan, prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi dalam kehidupan sehari-hari, dimana salah satunya yaitu energi panas dari matahari yang diserap oleh bumi yang berupa gelombang eletromagnetik. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam termodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam melakukan kegiatannya. Aplikasi termodinamika sangat banyak, hal ini terjadi karena perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh ilmuan termodinamika seperti 1
Rudolph Clausius, William Rankine, dan Lord Kelvin pada abad ke-19. Perkembangan termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopis hingga yang bersifat mikroskopis. Adapun bentuk-bentuk energi yang dihasikan dalam proses termodinamika dapat berupa berbagai bentuk, diantaranya energi kimia, energi panas, energi mekanis, energi listrik, energi nuklir salah satunya yaitu energi yang terdapat pada biogas itu sendiri yaitu dengan pendekatan persamaan Maxwell-Boltzmann. Biogas sebagai sumber energi alternatif mempunyai beberapa keunggulan daripada BBM yang berasal dari fosil. Yaitu bersifat ramah lingkungan dan dapat diperbaharui. Selain itu biogas memiliki kandungan energi yang tidak kalah dari kandungan energi yang berasal dari bahan bakar fosil. Oleh karena itu, biogas sangat cocok menggantikan minyak tanah, LPG, dan bahan bakar fosil lainnya. Substrat kotoran sapi dianggap substrat paling cocok untuk pemanfaatan biogas itu sendiri. Pembuatan biogas pada dasarnya membutuhkan ketekunan dan ketelitian yang sangat besar, jika tidak maka hasil yang didapatkan tidak sesuai dengan yang diinginkan. Banyak kesulitan yang dihadapi oleh para pembuat biogas yang menginginkan hasil yang maksimal. Hal ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, misalnya yaitu : temperatur di dalam drum yang dijadikan tempat pembuatan biogas itu sendiri, yang terpenting yaitu perbandingan volume air dan volume kotoran sapi dimana jika perbandingan volume air dan volume sapi tersebut terlalu pekat, maka bakteri yang berperan dalam pembusukan atau terbentuknya biogas tidak dapat bekerja dengan baik. Sehingga berdampak dengan hasil biogas yang buruk. Energi yang dihasilkan biogas selama ini tidak diperhitungkan berapa yang didapat, tetapi hanya dengan perhitungan sederhana oleh karena itu membutuhkan sebuah solusi eksak yang logis bagi orang lain agar prediksi energi biogas yang terdapat dalam satu digester dapat diketahui berapa hasilnya. Melihat fenomena yang tersebut, maka secara tidak langsung saya terinspirasi untuk melakukan penelitian dengan judul: Aproksimasi Persamaan Maxwell-Boltzmann Pada Energi Alternatif. 2
2. METODE PENELITIAN Dalam pembuatan biogas membutuhkan skema alat yang digunakan berupa satu unit digester dan tabel hasil pengamatan yang digunakan untuk memasukkan data hasil penelitian. Persamaan Maxwell-Bolztmann merupakan sebuah persamaan mekanika statistik yang salah satunya digunakan untuk menentukan berapa besar energi yang didapat dari biogas terbuat dari kotoran sapi, persamaan tersebut secara matemats dapat dituliskan sebagai berikut : E 5 2 NkT Dengan ; E energi J k konstanta Boltzmann (J/K) B T temperatur K N jumlah total molekul molekul mol U energi dalam J Temperatur dan mol zat gas merupakan dua parameter yang harus ditentukan dalam menentukan besar energi dalam persamaan Maxwell- Bolztmann. Setelah mengolah data tersebut maka hasil energi gas dapat diprediksi besarnya yang disesuaikan dengan digester, dalam penelitian ini digunakan digester yang berukuran 300 Liter atau sekitar 0,3 m 3. Skema digester dalam pembuatan biogas dari kotoran sapi yaitu; Gambar 1. Skema Alat Pembuat Biogas 3
3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Kotoran sapi merupakan salah satu kotoran ternak yang dapat dimanfaatkan dalam kehidupan manusia diantaranya untuk dijadikan pupuk organik dan gas yang dikenal namanya sebagai biogas. Pada dasarnya bau dari kotoran ternak tersebut sangat mengganggu lingkungan sekitarnya dan mengandung zat Metana yang sangat berbahaya bagi makhluk hidup. Satu ekor sapi dewasa dapat menghasilkan 23,59 kg kotoran tiap harinya. Pupuk organik yang berasal dari kotoran ternak dapat menghasilkan beberapa unsur hara yang dibutuhkan tanaman (Rahayu dkk, 2009). Biogas yang dihasilkan dari kotoran sapi pada dasarnya akan memerlukan waktu fermentasi selama kurang lebih 30-45 hari. Dimana perbandingan pembuatan biogas yaitu kotoran sapi dan air adalah 1:1, hal ini dilakukan agar biogas dapat terbentuk dengan baik. Pembentukan biogas oleh mikroba pada kondisi anaerob oleh Haryati (dalam Mara, 2012:39) meliputi tiga tahap proses yaitu: a. Hidrolisis, pada tahap ini terjadi peruraian bahanbahan organik mudah larut dan bahan pencernaan bahan organik yang komplek menjadi sederhana,perubahan struktur bentuk polimer menjadi b. Pengasaman, pada tahap pengasaman komponen monomer (gula sederhana) yang terbentuk pada tahap hidrolisis akan menjadi bahan makanan bagi bakteri pembentuk asam. Produk akhir dari perombakan gula-gula sederahana ini yaitu asam asetat propionat, format, laktat, alkohol dan sedikit butirat, gas karbon dioksida, hidrogen dan amonia. c. Metanogenik, pada tahap metanogenik terjadi proses pembentukan gas metan. Bakteri pereduksi sulfat juga trerdapat dalam proses ini, yaitu mereduksi sulfat dan komponen sulfur lainnya menjadi sulfur sulfida. Adapun hasil penelitian pembuatan biogas yang saya lakukan beberapa waktu lalu yaitu : 4
Tabel 4.1 Hasil Pengamatan Temperatur Pada Saat Pembuatan Biogas No Massa Kotoran Sapi (kg) Massa Air (kg) Temperatur ( 0 C) Tekanan (Pa) 1 100 100 30 17519,68 2 100 100 31 35039,37 3 100 100 32 52559,055 4 100 100 33 70078,74 5 100 100 34 87596,425 Dimana dari hasil pengamatan tersebut diatas dapat diketahui Kalor maupun energi yang terdapat dalam biogas itu sendiri dapat diprediksi melalui persamaan-persamaan mekanika statistik. Dimana dalam satu drum yang berisi 300 liter, energi dan kalor yang dihasilkan dihitung dengan persamaan Maxwell- Bolztmann pada mekanika statistik dalam (Huan,2013:33): dengan persamaan energi kinetik rata-rata yang dihubungkan dengan energi termal yaitu persamaan tersebut : 1 2 3 mv K T 2 2 B 3 5 EK U NkT NkT 2 2 (3.1) Dimana : E energi J k konstanta Boltzmann (J/K) B T temperatur K N jumlah total molekul molekul mol U energi dalam J Dimana data temperatur digester 30-34 0 C dengan massa kotoran sapi 100 kg dan massa air 100 kg dengan volume digester yaitu 300 liter dapat diketahui energi yang dihasilkan dengan volume digester 300 liter yakni dengan memasukkan kedalam aproksimasi persamaan Maxwell-Boltzmann. 5
EK(10 4 J) Adapun pemodelan persamaan Maxwell-Bolztmann 5 EK U NkT 2 Persamaan diatas dapat digunakan dengan mengubah nilai N dengan n x N A, yang mana nilai mol zat gas dicari yang dalam hal ini hanya gas CH 4 dan gas tang lain dicari, karena sebagian besar kandungan biogas didominasi oleh zat gas Metana. 1. Energi yang didapatkan dalam digester berukuran 300 Liter dapat dilihat pada tabel berikut ini. Tabel 3.1 Hasil Perhitungan Pengaruh Temperatur Terhadap Energi Gas No Massa Kotoran Sapi (kg) Massa Air (kg) Temperatur ( 0 C) Energi Gas (J) 1 100 100 30 13128,09 2 100 100 31 26256,15 3 100 100 32 39384,21 4 100 100 33 52306,14 5 100 100 34 65636,84 7 6 5 Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x No Weighting 2,91721E-4 Pearson's r 0,99999 Adj. R-Square 0,99998 Value Standard Error EK Intercept -395,82162 0,9511 EK Slope 131,06749 0,31183 4 3 2 1 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 T(10 2 K) Gambar 2. Grafik hubungan antara temperatur terhadap energi kinetik gas 6
Berdasarakan grafik tersebut diatas dapat diketahui hasil penelitian membuktikan bahwa temperatur digester sangat berpengaruh terhadap pembentukan biogas yaitu energi yang dihasilkan, dimana semakin besar temperatur pada digester atau drum sebagai wadah fermentasi kotoran sapi maka nilai energi yang dihasilkan akan semakin tinggi, begitu sebaliknya semakin rendah temperatur digester, maka energi maupun biogas yang dihasilkan akan semakin rendah dan kualitasnya juga tidak maksimal jika digunakan dalam penggunaan energi. 2. Perbandingan mol gas yang terdapat dalam biogas dapat dilihat pada tabel berikut ini. No Tabel 3.2 Perbandingan mol zat CH 4, CO 2, dan N 2, O 2, H 2, & H 2 S Tekanan Gas (N/m 2 ) Mol zat CH 4 (mol) Mol zat CO 2 ( 10-4 mol) Mol zat N 2, O 2, H 2, & H 2 S ( 10-4 mol) 1 10 7,1 4,5 0,2 2 35 24,9 15,8 0,8 3 47 33,4 21,1 1,1 4 59 41,7 26,4 1,4 5 68 47,9 30,4 1,6 Dari tabel tersebut diatas dapat diketahui bahwa perbandingan mol zat yang terkandung dalam biogas dari kotoran sapi dalam hal ini didominasi oleh zat CH 4 kemudian zat CO 2 dan zat N 2, O 2, H 2, & H 2 S. Hal ini berdasarkan kapasitas dari biogas, dimana dengan volume digester 300 Liter maka dapat menghasilkan gas sekitar ± 300 Liter pula tiap harinya hingga gas habis atau tidak beroperasi lagi. Komponen biogas antara lain sebagai berikut : ± 60 % CH 4 (metana), ± 38 % CO 2 (karbon dioksida) dan ± 2 % N 2, O 2, H 2, & H 2 S (Hamidi, 2012) 4. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan, maka diperoleh suatu hasil dimana pada pembuatan biogas yang berbahan dasar kotoran sapi diperlukan ketelitian dan keuletan dengan menjaga temperatur digester agar gas yang terbentuk sangat baik sesuai yang diharapkan. Oleh karena itu digunakan 7
sebuah aplikasi dari persamaan Maxwel-Bolztmann pada energi alternatif yang menghasilkan suatu hubungan yaitu sebagai berikut : 1. Temperatur sangat berpengaruh pada pembentukan biogas, hal ini juga mempengaruhi energi biogas itu sendiri, dimana semakin tinggi temperatur digester maka energi gas akan semakin besar juga. Dan sebaliknya semakin kecil temperatur digester maka energi yang dihasilkan juga akan menurun. 2. Mol zat mempengaruhi banyaknya energi pada biogas semakin besar mol zat maka energi akan semakin besar begitu sebaliknya semakin kecil nilai mol zat maka energi pada biogas terebut akan menurun juga. 3. Perbandingan mol zat dalam biogas yaitu terbesar dimulai darich 4, CO 2,dan N 2, O 2, H 2, & H 2 S Berdasarkan kesimpulan tersebut diatas, maka penulis menyarankan beberapa hal yang diantaranya sebagai berikut: 1. Hasil penelitian ini hendaknya dapat dijadikan pembelajaran dan informasi bagi kita untuk meningkatkan pengetahuan khususnya penerapan teori fisika dalam kehidupan sehari-hari. 2. Dapat digunakan penelitian selanjutnya dengan melakukan penelitian serupa tetapi menggunakan persamaan dalam teor ilmu fisika yang lain. 3. Dapat dijadikan sebuah motivasi bagi orang lain yang ingin mempelajari lebih mendalam penerapan ilmu fisika dalam kehidupan sehari-hari yang sangat menguntungkan banyak pihak itu sendiri, baik diri sendiri mapun orang lain, karena lingkungan sangat mempengaruhi suatu ekosistem yang tinggal ditempat tersebut, sehingga jika di lingkungan sekitar terdapat sesuatu yang hanya dibuang percuma maka bisa dimanfaatkan untuk dijadikan sebuah karya energi yang terbarukan. DAFTAR PUSTAKA Hamidi, Nurkholis. (2011) Peningkatan Bahan Bakar Biogas Melalui proses pemurnian Bahan Bakar Alam. Jurnal Rekayasa Mesin. Jilid 2 No 3. (http://rekayasamesin.ub.ac.id. diakses 20 Februari 2013). Huan, Alfred. 2013, Statistical Mechanics, (pdf), (http://www.spms.ntu.edu.sg/pap/courseware/statemech,diakses Mei 2013) 8
Mara, I Made. (2012) Analisis Penyerapan Gas Karbondioksida (CO 2 ) Dengan Larutan NaOH Terhadap Kualitas Biogas Kotoran Sapi. Jurnal Dinamika Teknik Mesin (Online). Jilid 2 No 1. (http://www.ejournal.ftunram.ac.id. diakses 16 Maret 2013). Rahayu dkk. (2009) Pemanfaatan Kotoran ternak Sapi Sebagai Sumber Energi Altrnatif Ramah Lingkungan Beserta Aspek sosio Kulturalnya. Jurnal Lingkungan. Jilid 13 No 2. (http://journal.uny.ac.id. diakses 20 Februari 2013). 9